SINKRONISASI DAN PENGAMANAN MODUL GENERATOR LAB-TST BERBASIS PLC (HARDWARE) Tri Prasetya F.1 Ir. Yahya C A, MT.2 Suhariningsih, S.ST MT.3 Mahasiswa Jurusan Elektro Industri1 , Dosen Pembimbing 2 Dosen Pembimbing 3 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya(PENS) Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Surabaya, Indonesia Email:
[email protected]
ABSTRAK Sinkronisasi generator dalam pendistribusian energi listrik saat ini diperlukan untuk mendapatkan daya listrik lebih besar. Beberapa permasalahan timbul saat kita menginginkan generator yang kita bangun untuk disinkronkan terhadap generator yang lain, yaitu kesamaan tegangan, frekuensi, tidak ada selisih sudut pada fasa dan urutan fasa. Salah satu solusi permasalahan tersebut adalah penggunaan synchronizer yang dapat secara otomatis menyingkronkan generator ke dalam generator yang lain khususnya pada lab-TST. Pada proyek akhir ini digunakan PLC (Zelio) sebagai kendali utama dan pendeteksi parameter-parameter yang dibutuhkan, yaitu frekuensi, tegangan dan beda fasa. Penggunaan sensor-sensor yang dapat mendeteksi parameter-parameter singkron serta tambahan kontroler dapat disusun menjadi suatu sistem yang handal dan membantu proses sinkronisasi yang sebelumnya masih manual. Pada pengujian tiap-tiap bagian tidak ditemukan permasalahan yang besar. Sensor tegangan memberikan nilai yang linear saat pengukuran tegangan 0400 v. Pembacaan sensor frekuensi juga memiliki nilai yang linear mulai 41-59 Hz. Hasil dari sinkronisasi ini kontaktor rele 1 nyala terlebih dahulu, kontaktor rele 2 nyala saat parameter tegangan 380 v, frekuensi 50 Hz, urutan phasa yang sama, dan tidak ada selisih sudut phasa antara kedua generator. Kata Kunci: parameter sinkronisasi, kontroler, sensor 1.
PENDAHULUAN
Generator merupakan sumber utama dari semua energi listrik yang dipakai sekarang ini dan merupakan converter energi terbesar di dunia. Pada generator secara prinsip, tegangan yang dihasilkan bersifat bolak-balik, sedangkan generator yang menghasilkan tegangan searah karena telah mengalami proses penyearahan. Kerja paralel generator diperlukan untuk memperbesar kapasitas daya yang dibangkitkan serta menjaga kontinyuitas pelayanan beban. Dalam kerja paralel generator ada beberapa syarat yang harus dipenuhi antara lain tegangan terminal (efektif) harus sinkron, frekuensi kedua generator harus sinkron, phasa kedua generator harus sinkron, urutan phasa kedua generator harus sama. PLC (Programmable Logic Control) digunakan sebagai pengontrol sistem. Dalam tugas akhir ini akan dibuat sebuah sistem sinkronisasi dan pengamanan modul generator lab TST berbasis PLC. Pembacaan sensor tegangan, frekuensi, beda phasa akan dibaca oleh PLC dan membandingkan tegangan, frekuensi, beda phasa
dari kedua generator. PLC akan menampilkan hasil pembacaan sensor ke display. Apabila parameter dari kedua generator sudah sama, PLC akan mengontrol kontaktor untuk ON. Apabila terdapat perbedaan parameter dari kedua generator, PLC akan mengontrol kontaktor untuk OFF
2. KONFIGURASI SISTEM Pada perancangan dan pembuatan proyek akhir Sinkronisasi dan Pengamanan Modul Generator Lab-TST ini, dimana PLC sebagai kontrol dari sensor-sensor. Sensor tegangan berfungsi sebagai pembaca tegangan dari generator. Sensor frekuensi berfungsi sebagai pembaca frekuensi pada generator. Dan sensor beda fase berfungsi membandingkan sudut fase diantara dua generator. Gambaran sistem yang akan kami rancang pada proyek akhir ini dijelaskan oleh blok diagram yang ditunjukan Gambar 2.1.
G1
Sensor tegangan, frekuensi dan beda phasa
Switch
40 33333.33 0.00120 I
Pengaman power reverse relay
P I2 R P 0.00120 33333.33 0.048Watt 2
Display
PLC
Beban
Daya resistor yang digunakan
G2
Sensor tegangan, frekuensi dan beda phasa
Switch
Pengaman power reverse relay
Gambar2.1 Blok Diagram
1 Watt 4
Jadi dengan nilai VR atau R2 sebesar 5 kohm maka output tegangan dari sensor akan maksimal sebesar 6 volt. Dengan begitu output sensor dapat dibaca oleh analog input dan selanjutnya akan diproses pada PLC (Zelio). Rangkaian Sensor Frekuensi
Rangkaian Sensor Tegangan Pada sensor tegangan digunakan sebuah transformator step-down hubungan ∆/Y dan resistor pembagi tegangan dipasang secara paralel antara phasa dengan netral dan dihubungkan kesebuah rectifier dan dihubungkan ke filter C. Sensor ini mendeteksi level tegangan pada Line Generator dan akan dibaca oleh PLC (Zelio). Pada rangkaian ini digunakan R1 = 22 Kohm dan Vr = 5 Kohm. Dengan Vin Sebesar: Dengan tegangan keluaran yang diinginkan sebesar 6 volt. Jadi nilai R2 (Vr): Vout
R2 Vin R1 R2
Sensor frekuensi ini menggunakan typical application dari IC LM2907. Sensor ini akan mendeteksi setiap perubahan frekuensi pada generator. Frekuensi yang masuk ke sensor akan dikonversikan ke dalam bentuk tegangan dc, yang kemudian akan masuk ke ADC. Tegangan output ditentukan oleh persamaan sebagai berikut
Vout fin Vcc R1 C1
Pada aplikasi ini digunakan Vcc sebesar 9 Volt, R1 = 100 Kohm, C1=168 nF rangkaian ini dapat mendeteksi frekuensi samapai dengan kurang lebih 60 Hz. Vin maksimum adalah kurang lebih 4 Volt sehingga untuk mendeteksi frekuensi generator, tegangan generator diturunkan lebih dahulu dengan transformator step-down. R2 100
6
R2 Vin R1 R2
12 v 14 13 12 11 10
5000 6 40 R1 5000
9
8 9,1 v
LM2907
1
30000 6R1 200000
2
3
4
5
6
7
4V Analog Input PLC
6R1 200000 30000
Dari Output LM747
6 R1 170000
C2 1uF
C1 168nF
R1 100K
+
-
R1 28333.33
Untuk perhitungan daya resistor pembagi tegangan adalah sebagai berikut: Rtot R1 R2 28333.33 5000 33333.33
I
Vin Rtot
Gambar 2.2 Rangkaian sensor frekuensi 3.
PENGUJIAN DAN ANALISA
Dalam bab ini akan dibahas tentang pengujian berdasarkan perencanaan dari sistem yang dibuat. Program pengujian disimulasikan di suatu sistem yang sesuai. Pengujian ini dilaksanakan untuk mengetahui kehandalan dari sistem dan untuk mengetahui apakah sudah sesuai dengan perencanaan atau belum. Pengujian pertama-tama dilakukan secara terpisah, dan
kemudian dilakukan ke dalam sistem yang telah terintegrasi. Rangkaian Sensor Tegangan Pengujian yang ke-1 adalah pengujian sensor tegangan. Pengujian ini digunakan untuk mengetahui kelinieran sensor tegangan yang menggunakan trafo3fasa penurun tegangan hubungan ∆/Y. pada pengujian ini digunakan Variac 3 fasa yang dapat menghasilkan tegangan variable 3 fasa dari 0 hingga 400 V .
Tabel 3.1 Data Pengukuran Sensor Tegangan Vin
Vout
Vout DC
180.6
179.2
179.1
16.52
16.6
16.73
2.6
2.61
2.62
200.7
199.8
199.5
18.42
18.52
18.63
2.92
2.93
2.94
220.4
219.2
218.9
20.2
20.36
20.46
3.22
3.23
3.24
240.6
239.8
239
22.1
22.24
22.33
3.54
3.54
3.55
260.6
260.8
260.1
24.02
24.18
24.22
3.87
3.87
3.88
280.3
279.6
278.3
25.68
25.88
25.89
4.14
4.14
4.16
300.6
299.8
299.1
27.6
27.79
27.84
4.49
4.49
4.5
320.4
320.4
319.9
29.56
29.78
29.79
4.76
4.74
4.78
340.7
340.1
339
31.38
31.58
31.61
5.07
5.07
5.09
360.6
360.3
359.4
33.3
33.48
33.46
5.38
5.39
5.39
380
380.7
380.2
35.16
35.36
35.31
5.69
5.7
5.7
400
400
399.6
36.94
37.12
37.18
6.01
6.01
6.01
Rangkaian Sensor Frekuensi
R-S
S-T
T-R
R-N
S-N
T-N
R-N
S-N
T-N
20.13
20.21
20.21
1.84
1.87
1.85
0.19
0.19
0.19
40.6
39.9
40.4
3.69
3.68
3.74
0.49
0.48
0.48
60.7
60.4
61
5.58
5.58
5.59
0.8
0.79
0.78
80.7
79.6
79.6
7.3
7.34
7.43
1.08
1.07
1.08
100.2
99.1
99.3
9.11
9.14
9.22
1.38
1.37
1.37
120.2
119.5
119.8
11.04
11.08
11.09
1.69
1.67
1.68
140.4
139.5
139.6
12.83
12.95
12.98
2.01
2
2
160.4
159.5
159.8
14.71
14.78
14.87
2.32
2.3
2.31
180.6
179.2
179.1
16.52
16.6
16.73
2.62
2.6
2.61
200.7
199.8
199.5
18.42
18.52
18.63
2.94
2.92
2.93
220.4
219.2
218.9
20.2
20.36
20.46
3.24
3.22
3.23
240.6
239.8
239
22.1
22.24
22.33
3.55
3.54
3.54
260.6
260.8
260.1
24.02
24.18
24.22
3.88
3.87
3.87
280.3
279.6
278.3
25.68
25.88
25.89
4.16
4.14
4.14
300.6
299.8
299.1
27.6
27.79
27.84
4.5
4.49
4.49
320.5
320.5
319.9
29.56
29.78
29.79
4.82
4.81
4.8
340.7
340.7
339.4
31.41
31.62
31.67
5.13
5.11
5.11
360.7
360.6
359.4
33.23
33.44
33.51
5.44
5.43
5.42
380.6
380
380
35.27
35.25
34.98
5.73
5.72
5.72
402
402
402
38
37
38
6.01
6.01
6.01
Pengujian pengukuran sensor frekuensi ditujukan untuk mengetahui hasil pembacaan frekuensi tegangan dan perbedaan hasil antara dua sensor frekuensi. Pembacaan frekuensi ini dilakukan dengan pengukurna tegangan output dari rangkaian sensor frekuensi pada Gambar 3.1. Hasil pengujian terlihat seperti pada Tabel 3.3. Tabel 3.3. Pengujian sensor frekuensi f (Hz)
Sensor 1
41 43 45 47 49 50 51 53 55 57 59
Output 6.54 6.58 7.18 7.49 7.8 7.96 8.12 8.39 8.44 8.46 8.47
Sensor 2 Output 6.54 6.86 7.18 7.5 7.82 7.98 8.14 8.39 8.43 8.45 8.46
Tabel 3.2 Data Pengukuran Sensor Tegangan Vin
Vout
Vout DC
R-S
S-T
T-R
R-N
S-N
T-N
R-N
S-N
T-N
20.13
20.21
20.21
1.84
1.87
1.85
0.19
0.19
0.19
40.6
39.9
40.4
3.69
3.68
3.74
0.48
0.48
0.49
60.7
60.4
61
5.58
5.58
5.59
0.79
0.78
0.8
80.7
79.6
79.6
7.3
7.34
7.43
1.07
1.08
1.08
100.2
99.1
99.3
9.11
9.14
9.22
1.37
1.37
1.38
120.2
119.5
119.8
11.04
11.08
11.09
1.67
1.68
1.69
140.4
139.5
139.6
12.83
12.95
12.98
2
2
2.01
160.4
159.5
159.8
14.71
14.78
14.87
2.3
2.31
2.32
Gambar 3.1 Grafik Sensor Frekuensi 1 dan 2
Dari hasil pengujian didapatkan hasil bahwa perbedaan antara sensor frekuensi 1 dengan sensor frekuensi 2 bernilai kecil. Rangkaian Sensor Beda Fase Pengujian yang ketiga adalah pengujian sensor beda fasa. Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui respon dari sensor terhadap beda fasa dari sensor tegangan. Pada pengujian beda fasa ini digunakan transformator sebagai suplai tegangan dan untuk menghasilkan perbedaan fasa, maka pada tansformator dibebani rangkaian seri resistor-kapasitor seperti pada Gambar 4.12. Perbedaan fasa tegangan timbul karena tegangan yang jatuh pada resistor mewakili fasa arus yang melaluinya. Gambar hasil pengujian sensor beda fasa terlihat seperti Gambar 3.2.
(a).tegangan dan arus tidak memiliki perbedaan fasa
(c).tegangan dan arus memiliki perbedaan fasa 32 derajat
(d).tegangan dan arus memiliki perbedaan fasa 64 derajat V/div: Ch1: 2V/div Ch2: 2V/div T/div: 5ms/div Gambar 3.2. Gambar sinyal masukan dan keluaran sensor beda fasa Dari gambar 3.2. terlihat bahwa besar duty cycle dari sinyal keluaran semakin besar saat perbedaan fasa antara sinyal arus dan tegangan semakin besar.
4. Kesimpulan
(b).tegangan dan arus memiliki perbedaan fasa 14 derajat
Dari Perencanaan, pembuatan, hingga pengujian alat pada proyek akhir ini, dapat disimpulkan bahwa: 1. Pengukuran frekuensi melalui rangkaian frekuensi (frekuensi yang terdapat dalam tegangan AC) ke tegangan DC dengan IC LM2907 dapat menghasilkan tegangan DC yang dapat dimasukkan ke Analog Input PLC sebagai pembacaan parameter frekuensi pada generator. 2. Penggunaan IC LM2907 sebagai sensor frekuensi merupakan pengganti rangkaian
sensor frekuensi yang terpisah. Data hasil sensor frekuensi memiliki persen kesalahan antara 2% - 4.5 %. 3. Tegangan dan frekuensi generator 1 sebagai referensi tegangan dan frekuensi 2. Kontaktor rele 2 nyala ketika parameter tegangan, frekuensi, urutan phasa yang sama, dan tidak ada selisih sudut phasa dengan generator 1. 5.
Saran
Dari pengerjaan dan penyelesaian proyek akhir ini tentu tidak lepas dari kekurangan dan kelemahan. Untuk pengembangan proyek akhir selanjutnya perlu dikembangkan peralatan dan sistem sinkronisai generator yang lebih efisien dan perbaikan pada sensor-sensornya.
Daftar Pustaka 1.
Stephen J. Chapman, “Electric Machinery and Power System Fundamentals” , Buku, 2001.
2.
Aditya Candra H, “Rancang Bangun Sistem Sinkronisasi Otomatis untuk Kerja Paralel 2 Generator Sinkron 3 Phasa” , Proyek Akhir PENS-ITS, 2001.
3.
Rety Silvana, Florentina, ”Perbaikan Kualitas Daya menggunakan Soft Switch Static Var Kompensator untuk beban dinamik pada industri”, PENS-ITS, Surabaya, 2006.
4. National Semiconductor, ”LM2907/LM2917 Frequency to Datasheet, 2000.
Voltage
Converter”,
5. National Semiconductor, ”LM747 Dual Operational Amplifier”, Datasheet, 1994. Semiconductor, ”74HC/HCT86 Quad 2-input EXCLUSIVE-OR gate”, Datasheet, 1990.
6. Philips
7.
Zainal Arifin, “Simulasi Jaringan Interkoneksi Tenaga Listrik (Sinkronisasi 2 Buah Generator)” , Proyek Akhir PENSITS, 2011.
